耐磨耐热涂料的制备及性能研究 化工毕业论文

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学生毕业论文论文题目：耐磨耐热涂料的制备及性能研究班级：姓名学号：指导教师：起止时间：26 目录论文摘要3一、引言4二、文献综述4（一）复合涂料简介5（二）耐高温涂料8（三）耐高温涂料的分类8（四）耐磨涂料9（五）耐磨填料9（六）磨损机理10（七）混合液分散方法12（八）本论文研究意义及主要内容13三、实验部分14（一）涂料基本组分的确定14（二）超声波分散工艺的确定15（三）漆前表面处理17（四）涂覆工艺17（五）测试方法17四、聚酰胺酰亚胺（PAI）/聚四氟乙烯/SiC微粉耐热耐磨复合涂层的制备及性能19（一）涂料的配制及涂层制备工艺19（二）涂层性能测试20（三）结果与讨论20五、结论23参考文献25致谢2626 论文摘要本论文选用聚酰胺酰亚胺（PAI）和聚四氟乙烯（PTFE）为成膜基体，选用具有高硬度、高强度、耐磨损的SiC微粉作为增强填料，制备了一系列耐高温耐磨复合涂层。研究了复合涂层的基本性能(附着力、硬度)以及摩擦学性能(摩擦系数和磨损率)。通过观察磨痕形貌，探讨了涂层磨损机理。结果表明:由于该涂层加入了聚四氟乙烯（PTFE），同时又以SiC微粉为增强填料，经过测试后得出该涂层具有很强的附着力和很高的硬度，硬度为6H；又通过对该涂层摩擦学性能的研究及测试，可知该涂层的摩擦系数和磨损率都很低，说明该涂层具有很好的耐磨损性能；最后又对该涂层进行电镜分析可知该涂层的分子结构比较稳定，具备优异的耐磨损性能。关键词:聚酰胺酰亚胺（PAI）聚四氟乙烯(PTFE)碳化硅(SiC)微粉BD-3033型流平剂复合涂料26 耐磨耐热涂料的制备及性能研究一、引言磨损，在人们的日常生活中十分常见。每年我国因为磨损而造成的损失不仅有国民经济上的，甚至更多的是国民人身安全问题。由于磨损通常发生在两个互相接触的材料表面，所以在物体表面涂覆耐磨涂层成为减少材料磨损最直接最有效的方法。近年来，一些材料以其不同于常规材料的特殊性能，在摩擦材料改性领域得到了广泛应用，通过添加具有高硬度，高强度，良好耐磨性的填料，提高涂层的摩擦磨损性能。一般的耐磨涂层都具有一定的耐热性以抵抗摩擦过程中产生的摩擦热，但是高端技术或者苛刻环境，对耐磨涂层的耐热性能提出了更高的要求。为此，研究人员以各种具有高耐热性的高聚物作为涂料的成膜物质，制备了各种高温环境使用的耐磨涂层。这些涂层，不但表现出较高的耐温性能，而且表现出了较好的磨损性能。本实验以具有优异耐高温性能的树脂作为涂料的成膜物质，选用高硬度、高强度和耐磨损的SiC微粉作为增强填料，制备了一系列的耐高温耐磨损涂层。系统研究了填料在涂料中的分散问题，优化了涂层的烘干工艺，测试了涂层的基本性能，重点考察了涂层的摩擦磨损性能，并通过SEM测试，探讨了涂层的磨损机理。二、文献综述涂料对人类社会的发展有着巨大贡献，发挥着不可替代的重要作用。将涂料涂覆在物体表面上，经过一定的烘干工艺条件后，能够在物体表面形成一层薄膜，称之为涂膜或涂层。随着21世纪国民经济的迅速发展，涂料行业由原本一个非常不显眼的小行业，逐步发展成为了一个在国民经济领域中不可或缺的行业。特别是近年来，我国在涂料领域引进了各种专用涂料关键性生产技术与设备(比如建筑涂料、汽车涂料、船舶涂料等)，并组建相应的生产基地，使得我国在涂料生产与消费方面，跃居世界第二，进入到了世界涂料行业发展的主流。26 科学技术在飞速发展，社会需求对产品性能的要求在不断地提高，在众多领域里，单一性能的涂料己经无法满足社会所需，研究开发具有多种功能的高性能复合涂料成为了社会经济发展的迫切需求，受到研究人员的普遍关注。（一）复合涂料简介1、复合涂料的定义复合涂料，又称复合材料涂料，与复合材料有着相同的构成机理，即把两种或两种以仁宏观性质不同的材料，经过有效的复合方法整合到一起而制得的一种涂料。复合的目的是要将各种单一材料的优势性能进行优势互补。复合涂料由多组分构成，既包含有基体材料组分，又包含有增强体材料组分。其中，基体相为连续相，起连接增强相以及传递应力的作用;增强相则一般表现为分散相，其主要作用为承受外部应力以及显示自身功能性。复合涂层一般既能够保持原有各个组份的重要性质，又可以经过复合达到各组成材料性能上的互补，从而得到原来各组分所不具有的多种优良性能。2、复合涂料组成复合涂料主要是由以下四部分组成：（1）成膜物质成膜物质，即涂料的基体物质，是涂料组成中最基础的物质，决定着涂料以及涂膜的基本性质。其最基本的性质是将涂料涂覆在基体材料表面，涂层固化后可形成一层薄膜，同时将增强体粘结在一起，和增强体共同保护底材表面，并使涂层具有特殊性能。成膜物质还需要具备良好的混溶能力，可与其他涂料中的必要加入组分形成均匀分散。（2）颜(填)料颜料一般可以分为两种:着色颜料和体质颜料。着色颜料，赋予涂层所需要的色彩，可以起到很好的装饰保护作用;体质颜料，即通常所说的填料。26 填料，顾名思义，在涂料中主要发挥其填充作用。除此以外，还具有很多其他性能优势，例如:由于填料价格一般比较便宜，所以涂料中填料的使用还可以降低涂料成本;与单纯的树脂涂料相比，复合涂料由于填料的加入使得最终涂层的厚度也有所增加;也正是由于有填料的加入，在很多方面涂层都表现出了更好的性能(如机械性能、耐久性等:由于一些填料的组成比较细腻，加入到涂料中可以使涂层的平润性得到明显改善;大多数硅酸盐类填料可以形成紧凑结构提高涂层耐老化性;还有填料赋予涂层某一种特定性能，如导电性能、防紫外性能、隔热性能等。填料种类非常多，一般大概分为两大类:纤维和颗粒。用作填料的纤维通常有碳纤、玻纤、硼纤、碳化硅纤维以及金属纤维;颗粒类主要有铝粉、铜粉、锌粉等金属粉类，无机氧化物、碳化物、氮化物(如刚玉、石英、碳化硅、氮化硅等)以及聚合物颗粒。涂料中填料的加入一定要选择合适，选用哪种填料，填料添加量的确定以及颗粒填料粒度的大小等等都会对涂层的最终性能有影响。（3）溶剂溶剂是涂料组成中不可缺少的部分(除无溶剂涂料和粉末涂料以外)。溶剂能够溶解并稀释成膜物质，改变涂料粘度，从而改变涂料施工时的表面均一性和流平性，利于完美漆膜的最终形成。溶剂本身不能够单独成膜，仅仅是涂料转变成涂膜的过程物质。在涂料成膜后，溶剂一般都挥发到空气中，漆膜内很少有残留。在实际应用中，由于单一溶剂的溶解性能和施工性能不是很好，且价格不便宜，所以在配制涂料时多采用混合溶剂，这样既提高了涂料的溶解性能，改善了涂膜质量，价格也比较经济。在选择溶剂时既要考虑到溶剂的溶解性能，还要考虑溶剂的沸点和汽化热。这些溶剂性能会直接影响到涂料性能、涂料施工性能以及涂膜质量等。由于溶剂最终挥发到了大气中，这使溶剂的使用存在环境污染与资源浪费问题。所以，研究环保型涂料，减少溶剂使用量，成为现代涂料行业的努力方向。（4）助剂助剂，在涂层制备过程中起到辅助作用，它的使用可以改善涂料或者涂膜某一方面的性能。助剂在涂料中的用量极少，但是发挥的作用却很大，所以成为了完美涂膜形成的必要部分。涂料助剂一般分为:配制生产涂料过程中用到的助剂，主要是润湿分散剂、乳化剂等;改善涂料储存稳定性能的助剂，主要有稳定剂、防沉剂等:改善涂料施工性能的助剂，如流平剂、防流挂剂等;改善涂膜性能的助剂，比如阻燃剂、防霉剂等。26 3、复合涂料的制备方法复合涂料的制备方法有很多，比较常用的有以下几种：（1）共混法共混法是复合涂料中最简单的制备方法，包括溶液共混和乳液共混:溶液共混的操作过程是先将基体树脂溶解，然后加入填料粒子，混合均匀制得涂料，最后固化成膜;乳液共混的操作过程是先要制备好聚合物乳液，然后将增强填料粒子混入其中，最后成膜。共混法的操作十分简便，这正是该种方法的优点所在。（2）溶胶一凝胶法共混法中由于分散是难点，所以有共混法制得的复合材料中往往或多或少的存在相分离现象，通过溶胶一凝胶法制备的复合材料则克服了该种现象，极大地降低了填料粒子相分离的可能性。由该方法制得的复合材料具有无机一有机混杂一起的纳米杂化微观结构，以及热力学稳定性能。（3）聚合物基体原位聚合法原位聚合法是指有机单体在含有纳米粒子的胶体溶液中，在一定的条件下发生原位聚合反应生成高聚物，最终得到纳米粒子作为分散相的复合材料。该方法中一定要注意胶体溶液的稳定性，要能够使胶体粒子之间不发生团聚。如果纳米粒子经过表面修饰，则利于形成稳定胶体。复合涂料，虽然其表现出良好的性能优势，但是该材料目前还存有如下问题:增强填料粒子在涂料体系中的均匀良好分散;成膜基体和增强体填料粒子表面的界面结合强度;基体性能与涂料施工性能之间的矛盾等。在复合涂料中，填料赋予涂层特定性能，所以填料能否在涂料中均匀分散显得尤为重要。分散好，才能使填料充分发挥自身的性能优势，否则优势作用不明显，甚至会起到反作用。涂层有机成膜物和无机增强体之间是异相材料，两者的很多性质并不一样，可能最终会影响涂层的性质。所以在复合涂料的制备过程中，应选择合适的组分材料进行搭配，并且使填料均匀分散，要尽可能地降低两厢界面薄弱处带来的影响，最终使复合涂料真正做到优势互补，表现出优越性能。26 （二）耐高温涂料耐高温涂料，是一种特种功能性涂料，一般是指在2oo℃以上可以长期使用，保证漆膜不会脱落，不变色的同时仍保持原有的特定物化性质，使被保护物体能够在特定的高温环境中正常使用。（三）耐高温涂料的分类耐高温涂料最早发展起来的是无机耐高温涂料。经过发展，耐高温涂料的种类越来越多，但一般仍可大致分为两大类，如图1所示：图1耐高温涂料的分类其中，无机耐高温涂料以其天然特性，可以耐很高的温度，1000℃甚至更高。但是此类耐高温涂料所形成的漆膜比较脆，并且涂料的使用对基材的表面处理要求很高，在一定程度上限制了此类耐高温涂料的使用。有机耐高温涂料主要包括了杂环聚合物涂料和元素有机聚合物涂料。其中元素有机聚合物涂料又包括有机硅类、有机氟类和有机钦类等。有机硅类耐高温涂料研究的比较多，但其最主要的缺点是对底材的附着力不够强，且涂层比较脆。有机氟类耐高温涂料的耐热性是最好的，但其主要缺点也是附着力比较小，且涂层的机械性能很不理想，所以要实际应用还需要进一步的研究开发。26 为了寻求新型耐高温聚合物，科研人员进行了大量的研究工作，其中发展比较快的是杂环聚合物涂料。该类涂料品种繁多，其中高性能聚芳醚类表现出优异的综合性能，其分子主链几乎全由苯环、蔡环、氮杂环等环状结构组成，使得这类高聚物材料具有很多优良性能，比如高的耐热性能、强的机械性能、好的尺寸稳定性、抗蠕变性等，被广泛地应用于航空、航天、军工等高科技领域。（四）耐磨涂料磨损是人们日常生活中必然存在的现象，只要是两个相互运动的接触表面之间，都会有磨损现象的存在。具体的磨损定义为在做相对运动的两摩擦副表面，材料由于发生物理或化学作用，被迫从基体中脱落的现象I8l。磨损被称为是材料失效的三大主要形式之一，据统计，每年约有百分之七八十的设备损坏以及将近百分之五}一的能源消耗归根于各种形式的磨损，不仅造成能源和材料的浪费，还造成经济上的巨大损失，严重的甚至还危机人身安全，影响国民发展。可见，提高材料的耐磨性能己经刻不容缓。（五）耐磨填料仅仅由树脂基体构成的涂料，所形成的涂层所表现的机械强度低，耐磨损性能差，尤其是在长时间冲击力与机械作用之后，涂层很快就会被磨损掉，甚至从基体表面脱落，失去对基底的保护，所以这种涂层仅仅适用于静态工作环境中。为了提高涂层性能，使之可以成功应用在动态环境中的基材上，提高零部件以及仪器设备的使用寿命，我们需要对聚合物进行改性处理，主要有以下几种方法1、填加固体润滑剂固体润滑剂的种类比较多，大致作以下分类:金属及金属化合物类，如铅、锡等软金属以及金属的氧化物、硫化物等;无机物类，包括片状或层状结构的固体(如石墨、二硫化铝、云母及氮化物等)以及少数非层状结构无机物(如氟化钙、氟化钡等);有机物类，如聚四氟乙烯、蜡、固体脂肪酸等有机高分子化合物。固体润滑剂的使用存在一个关键问题，即能否保证在运行过程中，基体表面始终存在固体润滑膜。如果涂料中的固体润滑剂可以始终包含在基体中，得到自润滑涂层，那么在运行过程中，该涂层就可以源源不断地提供表面润滑膜，从而获得优异摩擦学性能。26 2、填加增强填料增强填料大致可以分为两大类:（1）纤维增强填料:无机纤维(如碳纤维、玻璃纤维、石棉纤维、硼纤维、矿物纤维等)和有机纤维(如芳纶纤维、PPS纤维等)。（2）颗粒增强填料:一般采用微纳米级填料，常用的有金属粒子、碳化硅、氮化硅、二氧化硅、氧化铝等。此类填料具有高硬度，高强度以及良好的热稳定性。实验制备了含有多种形态SiC填充的PEEK复合材料，研究了它们的摩擦磨损性能。研究结果表明纳米形态的SiC和SiC晶须均对改善PEEK材料的减摩抗磨性能有所帮助，但是SiC晶须的改善效果不及纳米SiC，且填充用量比较多。（3）制备高分子合金：将预混聚合物熔融，共混可以得到含多种高聚物的高分子合金。有人研究了具有相容性的PEEK/PEI共混物的摩擦磨损性能，研究发现随着共混体系中PEI含量的增加，共混体系的磨损率表现出增大的趋势;且随着PEI含量的增多，共混材料的磨损机理由以犁沟磨损为主转变为以疲劳磨损为主。在上述的几种方法中，以在高分子中添加填料为比较常用的方法。该方法操作简单，快捷，能充分发挥涂料中各组分的优点，扬长避短，优势互补，成为了研究工作的重点。选择不同增强体，涂层会产生不同的摩擦磨损效果。比如颗粒填料其硬度、粒度的大小等性能的不同，会造成最终涂层的性能差异。研究发现增强体硬度不同，对复合材料摩擦磨损性能的影响也不同;硬度较小的增强体，即软增强体对降低材料摩擦系数有很大的帮助，如石墨，但是该类增强体填充的复合材料其磨损率没有太大改善;而硬度较大的增强体，即硬增强体，如碳化硅、二氧化硅等，他们的加入在降低复合材料磨损率的同时，却又增大了摩擦系数。所以在选择填料时应充分考虑填料的各种性质，选用合适的增强体。此外研究还发现在复合涂料中，不同种类增强体的混合使用，可以产生协同效应，使复合涂层表现出更好的摩擦学性能。（六）磨损机理26 聚合物材料不同与金属材料，其最大的特性是具有粘弹性，所以其各种性质更容易受到外界各种条件的影响，比如随着环境温度，施加载荷，滑动速度等外界条件的变化，聚合物力学性能会产生很大的不同，变化范围较宽。所以一与金属材料相比，聚合物材料在摩擦过程中发生的变化要复杂的多。由于磨损现象有着错综复杂的影响因素，使得人们对该领域的研究仍待完善。近年来，随着显微技术的发展，人们对磨屑进行微观上的观察与分析，期望对磨损机理有进一步的了解。通常，人们将磨损分为磨粒磨损、粘着磨损、犁沟磨损、冲蚀磨损、疲劳磨损等。1、磨粒磨损当摩擦副进行对磨时，由摩擦副的表面或空气中的颗粒参与到摩擦中，或进入到较软摩擦副面内或一直停留在对磨表面上，造成磨面材料的擦伤或者脱落的现象称之为磨粒磨损。例如，塑料与金属的对磨，塑料相对于金属具有低硬度，当空气中外来或者摩擦过程中产生的小颗粒参与摩擦时，颗粒会在各种力的作用下进入到软质塑料层内。当颗粒粒度较小时，进入到软塑料内形成了增强体，可以提高塑料耐磨损性能，但是如果颗粒粒度过大且硬，那么就会在塑料表面产生切痕，或者使塑料产生疲劳损伤，致使塑料的磨损量出现急剧上升。2、粘着磨损粘着磨损指的是涂覆在底材表而上的耐磨涂层，由于自身的剪切强度比较小，在摩擦的过程中，会随着摩擦部分涂层转移到对偶件表面，在其表面形成一层薄膜，即转移膜，由此而带来的损耗称之为粘着磨损。粘着磨损最重要的特征就是转移膜的形成。研究发现，转移膜的形成与物质内聚能的大小有关。有人对高分子材料(PTFE,PE,PP,PE丁)做了对磨实验，并观察对磨过程转移膜的形成。观察结果发现，总是内聚能小的材料表而聚合物转移到内聚能大的材料表面，最终在内聚能大的物体表面形成一层转移膜。材料的转移也是按照这个顺序进行，所以当软质聚合物涂层与硬质金属摩擦副对磨时，我们经常看到的是聚合物粘着在金属摩擦副上形成一层转移膜。摩擦过程中，转移膜形成以后，摩擦将主要发生在涂层与转移膜之间，所以说转移膜的形成可以起到减磨抗磨的作用。对于耐磨涂料而言，其耐磨损性能的好与坏，很大程度上取决于物件表面涂层的形成及转移。如果物件表面的耐磨涂层能够紧密牢固地附着在基材表面上，在摩擦过程中不会轻易脱落，那么该耐磨涂层就能够稳定而持久地向摩擦副表面提供转移膜。如果形成转移膜和消耗转移膜达到了一种动态平衡，就可以说该耐磨涂层具有良好的润滑耐磨作用;如果摩擦过程中耐磨涂层和转移膜都在不断地损耗，那就会出现严重的磨损现象。26 3、犁沟磨损由于相互摩擦的两对磨面，并不是完全平滑，其实表面存在很多的微小凸峰，当这些微小突起足够坚硬并具有锋利边缘，那么在发生相对运动时，它们就可能会切割或者撕裂对磨面，同时使邻近的材料受到拉伸力，发生局部应力破坏，甚至遭到严重损坏。4、冲蚀磨损冲蚀磨损有时也称它为侵蚀磨损，是指当材料表面受到流体冲击作用而造成的材料损耗。冲蚀流体可以使液态流体，也可以是高速气流，且冲蚀流体中一般会含有固体小颗粒，正是这些小固体粒子对材料表面的冲击作用才造成了材料的冲蚀磨损。冲蚀磨损的程度与流体的冲击角度和冲击速度等因素有关。5、疲劳磨损疲劳磨损是指材料由于受到交变载荷作用而发生的磨损现象。交变载荷的作用是一方面使塑料内部结构发生变化，如分子链的断裂、重排，分子链间的滑动等;另一方面会使塑料内部发生相互摩擦，使材料局部温度升高，加速局部分子链的运动，从而又显著地促进了上一部分中分子变化的发生。总之，交变载荷的存在加速了材料的磨损。关于磨损机理，众说纷纭，除了以上儿种主要的磨损以外，常见的还有腐蚀磨损、老化磨损、化学磨损、蠕变磨损、微动磨损等等。磨损现象复杂，实际生活中的磨损往往不能简单地归为某一种机理，常常是多种磨损机理并存。（七）混合液分散方法纳米粒子能否在涂料中良好分散决定着涂料的最终使用性能。常用的分散方法有:1、物理分散法（1）机械搅拌分散法机械搅拌分散为最常用的且最简单的分散方法，指利用搅拌装置(高速搅拌机或高速分散机)，在强剪切力的作用下，打破纳米团聚体，使纳米粒子均匀分散在介质中。26 实际操作中发现，机械搅拌分散效果并不是很理想。分析原因可能是由于机械作用形成的剪切力的强度并不是足够大，虽然可以一定程度_卜破坏纳米团聚体，但是还不足以很好的细化纳米粒子，致使纳米粒子间仍然存在较强的相互作用力，团聚在一起。（2）超声分散法超声波分散法受到越来越多研究者的青睐，成为纳米材料分散领域的理想选择。超声波是一种机械波，它的波速一般是1500m/s，频率为5KHZ—10MHZ次米为0.01一1Ocm。其波长的长度远远大于单个纳米粒子所具有的尺寸，由此可见超声波的分散机理并非超声波木身直接作用于分散粒子。关于超声波分散的作用机理，人们也做了相关研究，发现超声波首先对分子周围的介质产生物理作用进而问接影响分子，使其分散。人们还发现高强度的超声波如果在液体介质中传播会产生空化现象，伴随有气泡和声流等效应。空化作用会在液体介质内产生局部高压，净化微粒表面。声流会使液体内部产生高速对流，还可以破坏微小气泡。超声的种种现象作用最终使得分散粒子均匀良好地分散在液体介质中。（3）球磨法球磨法是使球磨介质与物料之间发生相互碰撞冲击研磨，造成物料内部巨大压力，迫使物料不断变形破裂，使物料粒子不断细化，最终达到良好的分散效果。（4）物理改性分散法物理改性分散是使改性剂分子吸附在纳米粒子表面，在其表面形成一层改性剂分子包覆层，降低纳米粒子的表面张力，减少粒子间的聚集团聚，最终得到均匀分散体系。之所以称之为物理改性分散是因为改性剂与纳米粒子之间发生的是物理作用力(范德华力、氢键等)，不存化学键的作用。该方法中最常用的添加表面活性剂法，主要利用了表而活性剂可以很好地吸附在固液表而，在粒子表面形成一层吸附分子膜。该膜不但可以阻碍粒子之间的相互接触聚集，还可以增大粒间距，遏制粒子间化学键形成。（八）本论文研究意义及主要内容26 磨损是日常生活中的常见现象，由于它的不可避免性，每年国家由此而造成的损失也是巨大的。所以研究耐磨涂层解决材料的摩擦磨损问题显得十分必要。随着科技的发展，社会对耐磨涂料功能化要求越来越高，比如研究高温耐磨涂层。通常的耐高温树脂以损失其加工性能为代价，获得更高的耐热性能。本实验室所特有的含二氮杂蔡酮联苯结构聚芳醚类高性能树脂，既耐高温又可溶解，在耐高温领域应用广泛。近年来，有机一无机复合涂料备受关注，它综合利用了有机物的特性和无机物的特性。特别是随着纳米技术的发展，纳米材料凭借其不同于常规材料的特殊效应，赋予涂层多种优异性能，在涂料填充行业得到广泛应用。本论文采用具有耐高温性能的聚芳醚睛酮作为涂料成膜物质，填加增强耐磨纳米填料，以提高涂层机械性能，增强涂层减摩耐磨性，制备综合性能优异的耐高温耐磨涂层。本课题主要做了以下研究工作:1、对耐高温耐磨纳米复合涂料的成膜物质和增强填料进行了初步选择；2、针对微粉填料极易团聚问题，研究了微粉粒子的分散工艺和超声波分散；3、采用共混法制备了以聚酰胺酰亚胺(PAI)为基体，SiC为增强相；以聚酰胺酰亚胺（PAI）和聚四氟乙烯（PTFE）为基体，SiC为增强相；以聚酰胺酰亚胺（PAI）和聚四氟乙烯（PTFE）为基体，SiC为增强相，石墨粉作为润滑相的三种纳米复合涂料；4、详细研究了各种复合涂料的固化工艺，确定了各涂料的最佳固化工艺参数；5、对涂层表面进行了摩擦磨损性能测试以及SEM和光学显微镜观察，研究了涂层内纳米粒子的分散，分析比较了各涂层的摩擦学性能、并对其磨损机理进行简单探讨。三、实验部分（一）涂料基本组分的确定1、成膜基体成膜物质是涂料组成中最基础的部分，决定着涂料以及涂膜的基本性质，比如本实验中涂层的耐高温性能。分子结构中由于较大的分子间作用力，提高了聚合物材料的力学性能及耐热性等。26 2、填料复合涂料中，填料的添加可以起到改善涂料某种性能的作用，如改善涂料流变性能、增加涂层强度、提高涂层耐磨性能等。本实验制备的耐高温耐磨复合涂料，其摩擦学性能主要通过增强填料来体现。作为耐磨填料通常要具有较高的强度，高硬度，耐磨损，自润滑等特性。另外，由于涂层耐高温，所以选用的增强填料还需具有较好的耐热性及热稳定性能。摩擦领域经常用的填料主要有碳纤、玻纤、石墨、MoS2,A1203,SiC,Si3Na,PTFE等。其中，SiC以其高硬度、高耐磨、耐高温，且价格便宜等优势，被广泛应用，成为最常用的增强填料。3、溶剂在溶剂配方设计过程中，首先要考虑的是溶剂的对成膜物质的溶解能力:在确保良溶解之后，还要考虑涂料的成膜性能，关键是要调配好不同沸程范围内的溶剂的配比。最好使混合溶剂的沸点具有一定的间隔，这样使得溶剂的去除少量多次的进行，利于完美漆膜的形成。（二）超声波分散工艺的确定纳米技术的发展，推动了超声波应用技术的进步，拓宽了超声波的使用范围。针对纳米粒子极易团聚问题，超声波分散处理被称为是最理想的物理处理方法。为了确定超声波分散工艺参数，做了以下实验:图2超声波分散工艺参数测定方法示意图26 1、超声振幅的确定随着超声振幅增加，作用于体系的能量变大，使聚集体被迫分散，体系变得稳定;但是超声振幅的继续增加，会使体系内的纳米粒子获得更多的能量，粒子间发生强烈碰撞，使其紧密粘结聚集在一起，表现为沉降分层时间的大幅减少。超声后立即测温，发现随着超声振幅的增大，体系温度逐渐升高。超声振幅的增加使得作用于体系的能量变大，最直接的表现就是体系温度的升高。由于温度的升高，会使溶剂内各组分的配比发生变化，进而影响到溶剂的综合性能，所以测量温度太高不好。综合考虑体系温度变化和沉降分层时间，最终确定超声振幅应该是比较适中的。2、超声频率的确定当超声频率很低时，作用于纳米微粒体上的时间很短，超声波能量还不足以将聚集体破坏分散时，就己经进入间歇时间段，所以超声处理的效果不是很好;当超声频率很大时，在超声波作用于纳米聚集体的6s内，纳米粒子被迫分散均匀，但是在之后的6s问歇时问段内，已经被分散开的纳米粒子，由于其表面极高的表面活性，而发生二次团聚，最终表现为分散效果不好。所以，选择中等超声频率，确定其为最佳超声分散频率。3、超声时间的确定随着超声时间的延长，沉降分层时间先增大后减小，说明超声后的体系分散均一稳定性是先好后坏。即刚开始超声时，作用于纳米微粒体上的超声波能量具有正的加和作用，可以将聚集在一起的纳米微粒体破坏，使其分散开;随着超声时间的延长，作用于体系的超声波能量会起到反向作用，将原本己经被分散开的纳米粒子聚集在一起，发生二次团聚，致使体系的分散稳定性大幅度下降。超声完后立即测量体系温度，发现随着超声时间的延长体系温度平缓上升。因此综合超声后体系温度以及沉降分层时间来确定最佳的时间。26 4、超声顺序的确定首先将填料和溶剂一起超声处理，使填料粒子初步分散，得到更小的纳米粒子聚集体或单个纳米粒，增大了下一步偶联剂处理时的接触表面积，从而使偶联剂可以充分发挥作用，表现出较好的分散效果，从而来选择最佳的超声顺序。（三）漆前表面处理由于基材表面一般都附有一层氧化膜，吸附有油脂及空气中的灰尘等，严重影响了涂层性能。如降低了涂层与基材表面的结合力，使涂层附着力降低，严重时甚至造成涂层使用过程中的剥离;造成了基片表面的表面张力差异，不能形成平滑涂膜;污染了涂层，影响涂层使用性能等，所以涂料在涂覆之前一定要对基材表面进行预处理。本实验中的表面处理主要包括以下步骤:1、打磨:用150目砂纸打磨基材表面，清除表面各种污物，如铁锈:最后采用纵、横及画圈的方式打磨，制造具有一定粗糙度的基材表而，保证漆膜附着力。2、丙酮擦洗:用含有丙酮的脱脂棉擦洗基材表面，除去表面磨屑污物，该步骤中要注意防止脱脂棉棉絮在基材表面的粘附，避免二次污染。3、烘干:除去基材表面的少量丙酮。（四）涂覆工艺涂覆工艺直接关系到涂层的成功与否。涂覆工艺有很多，本文主要采用喷涂。喷涂使用喷枪进行喷涂，喷枪压强在0.15--0.25MPa之间，喷距为2---3cm。喷涂过程中应注意喷嘴要垂直于基材表面，喷枪移速要均匀。（五）测试方法1、涂层基本性能的测试（1）附着力测试26 检测依据：GB/T9286-1998《色漆和清漆漆膜的划格试验》划格法是一种评价单涂层或是多涂层涂料附着力的简单易行的方法。操作步骤：①用工具在涂层上切出十字格子图形，切口直至底材；②用毛刷沿对角方向各刷五次，使用胶带贴在切口上并拉开；③使用一个带照明的放大镜检查格子区域；④根据划格结果评价标准分级，标准规定两刀齿之间的间距：第一种漆膜厚度小于60um刀齿间距1mm，第二种漆膜厚度达到120um刀齿间距2mm，第三种漆膜厚度超过120um刀齿间距3mm。用锋利刀片在测试样本表面划10*10个1mm*1mm小网格，每一条划线应深及油漆的底层；用毛刷将测试区域的碎片刷干净；用粘附力350—400g/cm2的胶带牢牢粘住被测试小网格，并用橡胶皮用力擦拭胶带，以加大胶带与被测区域的接触面积及力度；用手抓住胶带一端，在垂直方向迅速扯下胶纸，同一位置进行2次相同测试；结果判定：要求附着力≥4B时合格。（2）硬度测试检测依据：GB/T6739-86《色漆和清漆铅笔法测定漆膜硬度》用2H铅笔（三菱牌），将笔芯削成圆柱形并在400目砂纸上磨平后，装在专用的铅笔硬度测试仪上（施加在笔尖上的载荷为1Kg，铅笔与水平面的夹角为45º），推动铅笔向前滑动约5mm长，共划5条，再用橡皮擦将铅笔痕擦拭干净。结果判定：检查产品表面有无划痕，当有1条以下时为合格。26 2、涂层摩擦学性能测试采用MMW-1型（如图所示）万能摩擦磨损试验机进行摩擦磨损实验。图3MMW-1型万能摩擦磨损试验机采用Φ10mm的Q235钢珠作为摩擦副；将涂层基材加工成140mm*95mm*2mm板试样。为了使制备涂层与Q235钢珠能够紧密接触并达到受力均匀，在进行摩擦磨损实验前需进行预磨。经过预磨后的涂层材料在设定的实验条件下分别进行三次重复实验，最终结果取其平均值；当每次试验结束后，钢珠表面会粘着一些残留物，为了确保摩擦盘表面的平整度及实验的准确性，需清理实验后钢珠表面，可在相对较低转速下利用金相砂纸对摩擦盘表面进行清理，直至表面清洁光滑为止。四、聚酰胺酰亚胺（PAI）/聚四氟乙烯/SiC微粉耐热耐磨复合涂层的制备及性能（一）涂料的配制及涂层制备工艺26 首先将SiC微粉加入PTFE乳液中分散均匀，再将混合液和BD-3033型流平剂加入PAI中；PTFE：PAI=（0.4～1.2）：1（质量比）；然后搅拌20分钟，超声波分散10min。喷涂压力：0.6MPa-0.8MPa；喷涂距离：150mm-200mm；喷涂角度：90度；固化条件：120ºC*15min（烘干），380ºC*30min（固化）。（二）涂层性能测试涂层测试方法参照目录上第三部分（六）的测试方法。（三）结果与讨论1、涂层的基本性能测定实验对涂层的基本性能进行了测试，测试所得结果如下表名称硬度附着力级别6HB表1涂层硬度与附着力从表3中可以看出，涂层的附着力都很好，均为B级。分析各涂层良好的附着力应归因于底漆：一方面是底漆中PAI树脂和聚四氟乙烯对金属基材表面产生很大的作用力；另一方面是底漆中的偶联剂在树脂基体与金属基材表面之间以强化学键形式连接起来，大大提供了底漆涂层的附着力。正是由于底漆的良好附着力，才使整个涂层表现出优异的附着力性能。另外还可以看出该涂层具有很好的硬度，硬度为6H。2、摩擦系数与转速、加载力的关系实验对涂层的摩擦系数与转速、加载力的关系进行了测试，测试结果如图26 图4摩擦系数与转速、加载力数据图从图10中可以看出，以聚酰胺酰亚胺（PAI）/聚四氟乙烯/SiC微粉为配方所制的复合涂层在转速为1m/s时，涂层所受100N加载力时，摩擦系数最大，60N、40N和80N的摩擦系数最小；在转速为1.5m/s时，涂层所受40N加载力时，摩擦系数最大，80N次之，100N最小；在转速为2m/s时，涂层所受60N加载力时，摩擦系数最大，40N次之，100N最小。加载力为100N在转速逐渐增大的情况下，摩擦系数逐渐减小，在1.5m/s时的摩擦系数减小幅度较大，在2m/s时的摩擦系数减小幅度较小；加载力为80N在转速逐渐增大的情况下，摩擦系数先增大再减小，并在1.5m/s时，摩擦系数到达最大；加载力为60N在转速逐渐增大的情况下，摩擦系数持续增大，并在2m/s时，摩擦系数到达最大；加载力为40N在转速逐渐增大的情况下，摩擦系数先增大后减小，并在1.5m/s时，摩擦系数到达最大。3、摩损率与转速、加载力的关系实验对涂层的摩擦损率与转速、加载力的关系进行了测试，测试结果如图26 图5摩擦损率与转速、加载力数据图从图11中可以看出，以聚酰胺酰亚胺（PAI）/聚四氟乙烯/SiC微粉为配方所制的复合涂层中，加载力为100N在转速逐渐增大的情况下，磨损率持续减小，在1.5m/s时，磨损率的减小幅度较大，在2m/s时，磨损率的减小幅度较小；加载力为80N在转速逐渐增大的情况下，磨损率先增大后减小，并在1.5m/s时，磨损率到达最大，在2m/s时，磨损率到达最小；加载力为60N在转速逐渐增大的情况下，磨损率先增大后趋于平缓，在1.5m/s时磨损率到达最大，然后到2m/s时，磨损率趋于平缓；加载力为40N在转速逐渐增大的情况下，磨损率持续增大，并在2m/s时，磨损率到达最大。在转速为1m/s时，加载力为100N的磨损率最大，80N次之，40N最小；在转速为1.5m/s时，加载力为80N的磨损率最大，60次之，100N和40N最小；在转速为2m/s时，加载力为60N的磨损率最大，40N次之，80N最小。4、涂层电镜分析实验中对聚酰胺酰亚胺（PAI）/聚四氟乙烯/SiC微粉复合涂层进行了电镜分析，分析结果如图所示26 图6聚酰胺酰亚胺（PAI）/聚四氟乙烯/SiC微粉复合涂层电镜分析图（A为磨损前，B为磨损后，C为磨损后放大图）从图12（A图）中可以看出，喷涂后的涂层表面比较平整，SiC颗粒分布比较均匀。从图B可以看出磨损后的涂层表面比较平整、光滑，没有划痕。从图C可以观察到，涂层表面平整没有划痕和磨屑，只有很少部分出现撕裂现象。这说明PTFE的加入降低了了涂层的摩擦系数，提高了抗疲劳性能，有效提高材料的耐磨损性能。五、结论通过对涂层基本性能（附着力、硬度等）以及摩擦学性能（摩擦系数、磨损率等）的研究，我们得出了一下几点结论：1、由于本实验选用聚酰胺酰亚胺（PAI）和聚四氟乙烯（PTFE）为成膜基体，选用具有高硬度、高强度、耐磨损的SiC微粉作为增强填料26 而制成的耐热耐磨损复合涂层，该涂层经过测试具有很强的附着力，具有很高的硬度，硬度为6H。1、通过对涂层的摩擦学性能的研究及测试，我们得出了在不同加载力的情况下，在转速为1m/s时，80N的摩擦系数最低，在转速为1.5m/s时，100N的摩擦系数最低，在转速为2m/s时，100N的摩擦系数最低。对涂层的磨损来说，在不同加载力的情况下，转速逐渐增大，100N加载力的磨损率是持续减小的，从这可以看出该涂层具有良好耐磨损性能。2、通过对涂层电镜分析可知由于该涂层中聚四氟乙烯（PTFE）的加入，使该涂层的摩擦系数降低了，同时又提高了该涂层的抗疲劳性能，最终使该涂层具备了优异的耐磨损性能。26 参考文献[1]龙春光.复合材料的制备和摩擦学性能[J].润滑与密封,2004[2]邓文娟，戴文利，梁勇等.共混物摩擦磨损性能研究[J].工程塑料应用,2010[3]刘少琼，赛锡高，黄河等.新型耐热树脂基复合材料的性能研究[J].高分子材料科学与工程,2002[4]蔡森，王贵森，金日光等.影响涂料耐磨性能的主要因素[J].材料保护,2003[5]张招柱，薛群基，刘维民等.陶瓷颗粒填充PTFE复合材料的摩擦磨损性能研究[J].高分子材料科学与工程，2001[6]曹丽风.耐磨陶瓷/聚合物(高分子)涂层的制备和性能研究[D].天津:天津大学材料学院，2007.[7]路琴.纳米SiC增强PTFE基复合材料的摩擦学研究[D].江苏:南京工业大学材料学院.2006.[8]黄志.耐磨热固性树脂基复合涂层的研制及其摩擦学性能研究[D].浙江:浙江大学材料与化工学院，2002.26 致谢本论文是在导师亲切关怀和悉心指导下完成的。导师精深渊博的学识、严谨求实的治学态度以及续密的科学思维，都给我留下了深刻的印象。正是在导师的悉心教导和影响之下，大学生活培养了我科研工作的思维方法、勤奋认真和实事求是的工作作风。同时导师也教给我做人的道理，在生活上给了我极大的关心、支持和帮助，在此谨向敬爱的周永恒导师和陈永导师表示最诚挚的谢意!在我的论文工作期间，得到了特种功能材料中心各个老师给予的热忱指导和大力支持，正是他们无私的帮助，使我的论文工作得以顺利的完成，向他们表示衷心的感谢!感谢化学工程学院的老师们为我们提供了实验设备和场所，给予了我们大力的支持和无私帮助!本论文的完成过程中，得到了本组同学的大力支持，非常感谢他们。另外，非常感谢我的搭档在实验期间对我的帮助！最后，向我的家人表示深深的敬意，感谢他们给予我的关心、照顾、支持和鼓励!在此谨向所有关心、支持和帮助过我的人们表示最衷心的感谢!26